Künstliche genetische Schaltkreise können Pflanzen helfen, sich an den Klimawandel anzupassen

Künstliche genetische Schaltkreise können Pflanzen helfen, sich an den Klimawandel anzupassen

Die globale Nahrungsmittelproduktion wird zunehmend durch die Auswirkungen des Klimawandels bedroht. Da Überschwemmungen, Dürren und excessive Hitzewellen immer häufiger werden, müssen sich Pflanzen schneller als je zuvor anpassen können.

Die Aktivität synthetischer genetischer Schaltkreise, die das Vorhandensein oder Fehlen spezifischer Signale in Pflanzenblättern verarbeiten, wurde mit hoher Ausbeute gemessen, indem Blattstanzen in Platten mit 96 Vertiefungen platziert wurden. Wenn die richtigen Kombinationen von Eingaben an die Blätter geliefert werden, leuchten sie grün und die Fluoreszenz kann mit einem Plattenlesegerät gemessen werden. (Bildnachweis: Jennifer Brophy)

Forscher der Stanford College arbeiten an Möglichkeiten, biologische Prozesse in Pflanzen zu manipulieren, damit sie unter einer Vielzahl von Bedingungen effizienter und effektiver wachsen können. Jennifer BrophyD., Assistenzprofessorin für Bioingenieurwesen, und ihre Kollegen haben eine Reihe künstlicher genetischer Schaltkreise entwickelt, die es ihnen ermöglichen, Entscheidungen zu kontrollieren, die von verschiedenen Arten von Pflanzenzellen getroffen werden. In einer kürzlich veröffentlichten Studie in WissenschaftenSie nutzten diese Werkzeuge, um Pflanzen mit veränderten Wurzelstrukturen zu züchten. Ihre Arbeit ist der erste Schritt bei der Entwicklung von Pflanzen, die Wasser und Nährstoffe besser aus dem Boden aufnehmen können, und bietet einen Rahmen für die Entwicklung, Erprobung und Optimierung synthetischer genetischer Schaltkreise für andere Anwendungen in Pflanzen.

„Unsere synthetischen genetischen Schaltkreise werden es uns ermöglichen, sehr spezifische Wurzelsysteme oder sehr spezifische Blattstrukturen aufzubauen, um zu sehen, was für die herausfordernden Umweltbedingungen, von denen wir wissen, dass sie kommen, optimum ist“, sagte Brophy. “Wir präzisieren die Fabriktechnik.”

Programmiercode für Anlagen

Derzeit verwenden gentechnisch veränderte Pflanzensorten einfache und relativ ungenaue Systeme, die alle ihre Zellen dazu bringen, die Gene zu exprimieren, die zum Beispiel für die Resistenz gegen Herbizide oder Schädlinge benötigt werden. Um eine präzise Kontrolle über das Pflanzenverhalten zu erreichen, bauten Brophy und ihre Kollegen synthetische DNA, die im Wesentlichen wie ein Computercode mit logischen Gattern funktioniert, die die Entscheidungsfindung steuern. In diesem Fall verwendeten sie diese Logikgatter, um die Zelltypen zu identifizieren, die bestimmte Gene exprimieren, wodurch sie die Anzahl der Zweige im Wurzelsystem anpassen konnten, ohne den Relaxation der Pflanze zu verändern.

Künstliche genetische Schaltkreise, die die Genexpression in den Wurzeln von Pflanzen neu verdrahten sollen, können verwendet werden, um die Artwork und Weise zu verändern, wie sie wachsen. (Bildnachweis: Jennifer Brophy)

Die Tiefe und Kind des Wurzelsystems einer Pflanze beeinflusst, wie effektiv sie verschiedene Ressourcen aus dem Boden zieht. Zum Beispiel kann ein flaches Wurzelsystem mit vielen Ästen Phosphor besser aufnehmen (das in der Nähe der Oberfläche bleibt), während ein tieferes Wurzelsystem, das sich am Boden verzweigt, besser Wasser und Stickstoff sammelt. Mithilfe dieser synthetischen genetischen Schaltkreise können Forscher verschiedene Wurzeldesigns anbauen und testen, um Pflanzen zu schaffen, die unter verschiedenen Bedingungen am effizientesten sind. Oder es könnte Pflanzen in Zukunft die Fähigkeit geben, sich selbst zu verbessern.

„Wir haben moderne Pflanzenarten, die ihre Fähigkeit verloren haben, darauf zu reagieren, wo sich die Bodennährstoffe befinden“, sagte er José DeniniAußerordentlicher Professor für Biologie an Hochschule für Geistes- und Naturwissenschaften und einer der Hauptautoren des Papiers. “Die gleiche Artwork von Logikgatter, die zum Beispiel die Wurzelverzweigung steuert, kann verwendet werden, um einen Schaltkreis zu erstellen, der die Stickstoff- und Phosphorkonzentrationen im Boden berücksichtigt und dann eine Ausgabe erzeugt, die für diese Bedingungen optimum ist.”

Von Modellorganismen zu modernen Nutzpflanzen

Brophy hat mehr als 1.000 potenzielle Schaltkreise entworfen, um die Genexpression in Pflanzen manipulieren zu können. Sie testete sie in den Blättern von Tabakpflanzen und sah, ob sie die Blattzellen dazu bringen könnten, ein im Dunkeln leuchtendes Protein zu erzeugen, das in Quallen vorkommt. Es wurden 188 erfolgreiche Designs gefunden, die die Forscher in eine Datenbank mit synthetischer DNA anderer Wissenschaftler hochladen, damit sie sie für ihre Arbeit verwenden können.

Beispiele für synthetische genetische Schaltkreise, die das Vorhandensein oder Fehlen spezifischer Signale in Pflanzenblättern manipulieren. Wenn die richtigen Kombinationen von Eingaben an die Blätter geliefert werden, leuchten sie grün. (Bildnachweis: Jennifer Brophy)

Sobald sie funktionierende Designs hatten, verwendeten die Forscher einen der Schaltkreise, um Logikgatter zu erstellen, die die Expression eines bestimmten Entwicklungsgens in einer genau definierten Artwork von Wurzelzelle für die modulieren würden Arabidopsis thaliana, eine kleine krautige Pflanze, die oft als Modellorganismus verwendet wird. Indem sie das Expressionsniveau dieses Gens veränderten, waren sie in der Lage, die Dichte der Zweige im Wurzelsystem zu modifizieren.

Nachdem sie nun ihre Fähigkeit zur Veränderung der Wachstumsstruktur eines Modellorganismus unter Beweis gestellt haben, planen die Forscher, dieselben Werkzeuge auf kommerzielle Nutzpflanzen anzuwenden. Sie untersuchen die Möglichkeit, ihre genetischen Schaltkreise zu nutzen, um die Wurzelstruktur von Sorghum zu manipulieren, einer Pflanze, die zu Biokraftstoff veredelt werden kann, um ihr zu helfen, Wasser zu absorbieren und die Photosynthese effizienter durchzuführen.

„Der Klimawandel verändert die landwirtschaftlichen Bedingungen, unter denen wir die Pflanzen anbauen, von denen wir für Nahrung, Treibstoff, Fasern und Rohstoffe für Medikamente abhängig sind“, sagte Brophy. “Wenn wir diese Pflanzen nicht in großem Maßstab produzieren können, stehen wir vor vielen Problemen. Diese Arbeit soll dazu beitragen, dass wir Pflanzenarten haben, die wir anbauen können, auch wenn die Umweltbedingungen, unter denen wir sie anbauen, ungünstiger werden.” .“

Andere Stanford-Co-Autoren für dieses Papier sind die Forschungstechnologen Katie J. Dinneny ist auch Mitglied StanfordBioX.

Diese Arbeit wurde vom US Division of Vitality, dem Burroughs Wellcome Fund, dem Chan Zuckerberg Biohub und dem HHMI-Simons College Program finanziert.

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